JP2004508791A

JP2004508791A - 濾波装置切り替え駆動装置の運転モード制御

Info

Publication number: JP2004508791A
Application number: JP2002524282A
Authority: JP
Inventors: リッチー，ノーマン，ダブリュー; アンダーウッド，マイケル; アッシュボー，ライアン，ビー
Original assignee: ベイカー　ヒューズ　インコーポレイテッド
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2004-03-18
Also published as: EP1314239A2; WO2002019495A3; WO2002019495A2; US6700762B2; AU2001285360A1; CA2421030A1; CA2421030C; US20020024783A1

Abstract

パルス幅変調電気駆動装置、又はパルス幅変調／可変電圧インバータのデュアルモード駆動装置に用いられる制御装置が、該駆動装置の出力部に設けられた濾波装置内のセンサに接続される。前記センサによって前記濾波装置の故障又は濾波装置内の部品の故障（例えば、コンデンサのショート又はヒューズ切れ）を検出すると、制御装置は駆動装置を遮断するか、又は濾波装置と必要としない出力モードへと駆動装置の運転モードを自動的に切り替える。このようにして、濾波装置又は濾波装置内の部品が故障した場合でも、未濾波の動力又は不適切に濾波された動力の伝送に起因する、電気システム又は採掘孔内の機器への損傷を避けることができる。
【選択図】図１Ａ及び図１Ｂ

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願は、「濾波装置切り替え駆動装置の運転モード制御（ＦＩＬＴＥＲ−ＳＷＩＴＣＨＥＤＤＲＩＶＥＯＰＥＲＡＴＩＮＧＭＯＤＥＣＯＮＴＲＯＬ）」と題され、２０００年８月３１日に提出された暫定的米国特許出願シリアル番号Ｎｏ．６０／２２９，４２８号の優先権を主張する。上記特許出願の内容を、この参照によって本願明細書に取り入れる。
【０００２】
本発明は、一般に、地下掘削孔装置用動力システム、より詳しくは、動力駆動装置によって動力供給される地下掘削孔内にある機器に与える損傷を防ぐ電気的動力駆動装置を制御することに関する。
【０００３】
【従来の技術】
油及び／又はガスを生産する井戸の井戸孔の低い部分であって、ケーシング孔（ｃａｓｉｎｇｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎｓ）の上方又は下方において、電気潜水ポンプ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌｅｐｕｍｐ＝ＥＳＰ）システムがよく採用されている。ＥＳＰポンプは、一般に、流体を地上に押し上げるために、また、油及び他の炭化水素流体を二次回収するために満たされた水の中で流体をくみ上げるのに使用される。通常、ＥＳＰポンプは、地表面の電気駆動源から掘削孔に伝達される三相電力によって動力供給される掘削孔内のモータによって駆動される。
【０００４】
ＥＳＰシステムのモータ部分に動力供給するために、可変周波数駆動システム（ＶＦＤ）を含む様々な型の電気駆動装置が採用され、また、提案されてきている。ＶＦＤは、可変電圧インバータ（ＶＶＩ）出力形態又はパルス幅変調（ＰＷＭ）出力形態のいずれかを採用することができる。ＥＳＰシステムと共に使用すると、どちらの型の出力も様々な点で好都合であるが、ＰＷＭ駆動装置の方が経済的で、速度を変えた運転を行うことができる。しかしながら、ＰＷＭ出力駆動装置は、出力電圧波形の特徴として、電圧のスパイク及び過電圧を示すことがよくあり、これは、掘削孔内のモータ及び／又はケーブルの絶縁への損傷と共に、二重反転トルク及び他の問題によるモータの動作不良及びＥＳＰの損傷につながる場合がある。かなりの長さ（例えば、約２，０００フィートを超える長さ）のケーブルによって、ＰＷＭ出力駆動装置からの段階的に上昇する電圧出力を電送することにより、高周波数キャリア信号に対する共鳴又は連続高調波を発生することがある。したがって、ＰＷＭ駆動装置の出力と段階上昇変圧器（もし、あれば）との間に調整フィルタ装置を入れない限り、ＥＰＳシステム内で掘削孔内にあるモータを駆動するためにＰＷＭ駆動装置を使用するのは、一般に、実用的ではない。
【０００５】
しかしながら、動作中に、掘削孔内に伝送されるＰＷＭ駆動出力用に使用される濾波装置が（例えば、内部のコンデンサの不良、又はフィルタ内でヒューズ切れなどから）故障する場合もあり、濾波装置によって提供される保護をなくしてしまうことがある。
【０００６】
それ故に、この分野においては、ＥＳＰに動力を供給する、ＰＷＭ駆動装置の濾波された出力を安全に利用するための機構が求められている。ＰＷＭ駆動装置の出力部に配置されている濾波装置が故障しても、ＥＳＰによるポンプ動作を続けることができれば、そのような機構にとって有益であろう。
【０００７】
【発明の要約】
従来技術の前記問題点を解決するために、掘削孔内の製造システムにおいて、駆動装置の出力部に設けられた濾波装置内でセンサに連結された、パルス幅変調電気駆動装置、又は、パルス幅変調／可変電圧インバータ方式のデュアルモード駆動装置を提供することが、本発明の第一の目的である。センサによって濾波装置又は濾波装置の部品（例えば、コンデンサのショートやヒューズ切れなど）の故障を検出すると、制御装置は、駆動装置を遮断するか、濾波を必要としない出力モードへ駆動装置動作モードを自動的に切り替える。濾波されていない、又は不適切に濾波された動力が伝達されたことに起因する、電気システム又は掘削孔内の装置への損傷は、濾波装置又は濾波装置の部品が故障した時点で回避することができる。
【０００８】
当業者が続く本発明の詳細な記述をよりよく理解することができるように、前記事項によって本発明の特徴と技術的効果とをかなり広く述べた。本発明の請求項の主題を形成する本発明の他の特徴及び効果については、この後に記載する。当業者であれば、同じ目的を遂行する他の構成を変更又は設計する基礎として、開示されている本発明の概念及び具体的態様発明を容易に使用することができることがわかるであろう。当業者であれば、また、このような同等の構成が、最も広い形態での本発明の精神及び範囲から離れないことを理解するであろう。
【０００９】
続く「発明の詳細な記述」に着手する前に、この特許出願書類中で使用されるある単語及び句の定義をしておくのがよいと思われる。「含む」及び「有する」並びにそれらから派生した語は、制限のない包含を意味する。「又は」は、含んでいること、つまり、「及び／又は」を意味する。「関連する」及び「それに関連する」並びにそれらから派生した語は、その一部として含む、一部としてその中に含まれる、相互に連結する、全体として含む、全体として含まれる、それにもしくはそれと接続する、それにもしくはそれと連結する、それと連絡する、その間に入る、それと並列する、それに近接する、それにもしくはそれと結ばれる、持つ、ある性質を持つ等を意味する。「制御装置」は、そのような装置がハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はそれらの内の少なくとも二種の組み合わせのどれに備え付けられるものであってもよく、少なくとも１つの動作を制御する装置、システム、又はその一部を意味する。どの特定の制御装置に関連する機能であっても、それは、中央に集中させてもよいし、特定の位置であれ、離れた位置であれ、分散させることもできる。ある単語及び句の定義はこの特許書類を通して与えられており、当業者であれば、大半ではなくても、多くの例において、このように定義された語句の将来の使用と共に従来の使用例にこのような定義を適用することができることを理解するであろう。
【００１０】
【発明の詳細な記述】
本発明及びその効果をより完全に理解するために、添付の図面と共に以下の説明を行う。図中、同じ参照番号は同じ部材を示す。
【００１１】
以下で検討する図１Ａ〜１Ｂ及び図２、並びにこの文献における本発明の原理を記載するのに用いられる様々な態様は、例示のためのみのものであり、本発明の範囲をいかなるようにも制限すると解釈してはならない。当業者であれば、本発明の原理は適切に設計されたいかなる装置においても実施することができることを理解するであろう。
【００１２】
図１Ａ及び１Ｂは、本発明の一態様による掘削孔内の製造システムに動力を供給するために使用される電力システムを示している。電力システム１０２は、掘削孔内で使用するモータとポンプとの組立体１０４とに連結され、好ましくは、井戸１１０用のケーシング１０８内で下げられた管１０６に接合することによって、掘削孔内に配置される。この例示的な態様におけるモータとポンプとの組立体１０４としては潜水電動機（ＥＳＰ）を挙げることができ、米国特許第５，８４５，７０９号に開示されている、ＥＳＰを駆動する誘導電動機に連結されるものなどを使用することができる。このモータは、モータとポンプとの組立体１０４を動力システム１０２内にある地上動力源に電気的に連結する三相伝送ケーブル１１２によって伝送される三相電力によって動力供給される。
【００１３】
伝送ケーブル１１２に加えて、動力システム１０２は三相電力の発電機又は他の電力源１１４を有する。他の電力源は、その場所の電力グリッドへの接続であってもよいし、任意に単層電力から三相電力への変換機を有していてもよい。電力源１１４は電力駆動装置１１６に接続されており、この電力駆動装置は電力源１１４から電力を受け取り、これを所望の周波数と波形とを有する三相電力に変換する。図１Ａの態様においては、電力駆動装置１１６はパルス幅変調（ＰＷＭ）出力駆動装置であって、その動作は制御装置１１８によって制御される。駆動装置１１６内では独立した副部材として示されているが、実際には、制御装置１１８が完全に電力駆動装置１１６と一体化されていると好ましい。
【００１４】
ＰＷＭ出力駆動装置１１６の出力部に接続されているのは、電力が伝送ケーブル１１２によって掘削孔の下方に伝送される前にＰＷＭ出力装置１１６から出力された電力を濾波する濾波装置１２０である。濾波装置１２０は、駆動装置１１６の出力部に取り付けられ、電気波形の高調波ひずみを低減する装置であれば、いかなる装置であってもよく、受動型であっても能動型であってもよい。いくつかの好適な濾波装置が、ＥＳＰを製造している企業、そして専門製造業者から市販されている。
【００１５】
濾波装置１２０は、濾波装置、又は、コンデンサの故障（ショート）もしくはヒューズ切れ等の濾波装置における部品の故障を検出する１以上のセンサ１２２を有している。市販されており、現在、掘削孔内の電力システムで使用されている三相電力濾波装置のいくつかはこのようなセンサを有している。センサ１２２は駆動制御装置１１８に接続されており、これは、濾波装置１２０又は濾波装置１２０内の部品のどれかが故障したのを検出すると、自動的にＰＷＭ出力駆動装置１１６の運転を遮断する。フィルタ装置１２０又はその中の部品の故障（即ち、不適正な濾波）を検出したときにＰＷＭ出力駆動装置１１６の動作を終了させることによって、三相電力用ＰＷＭ駆動装置１１６の濾波されていない出力又は不適切に濾波された出力を用いていたら与えていたかもしれない、伝送ケーブル１１２及び／又はモータとポンプとの組立体１０４への損傷を避けることができる。
【００１６】
この例示的な態様では、濾波装置１２０内のセンサ１２２を使用して、制御装置１１８を介してＰＷＭ出力駆動装置１１６の運転を制御しているが、制御装置１１８を濾波装置１２０の出力部に接続することもできる。濾波装置１２０の出力部において、掘削孔内へ伝送される電力の周波数、振幅及び波形をモニタし、このようにして測定された特徴を予想される出力電力の特徴と比較することによって、フィルタ装置１２０の欠陥のある動作を発見することができ、損傷が発生する前に、制御装置１１８はＰＭＷ出力駆動装置１１６を遮断することができる。
【００１７】
図１Ｂは本発明の別の態様を示しており、この態様においては、電力源１１４と濾波装置１２０との間の電気駆動装置１２４が、ＰＷＭ又はｎ段階（例えば、６段階、１２段階又は１８段階）の可変電圧インバータ（ＶＶＩ）のいずれもを動作させることができ、動作中に動作モードを切り替えることのできるデュアル出力モード駆動装置になっている。オクラホマ州クレアモアのセントリリフト株式会社（Ｃｅｎｔｒｉｌｉｆｔ，Ｉｎｃ．ｏｆＣｌａｒｅｍｏｒｅ，Ｏｋｌａｈｏｍａ）から入手することのできるＧＣＳＶＳＣ駆動装置がこの目的には好適である。ＥＳＰと共に使用するのに際してＶＶＩは濾波を必要としないので、濾波装置１２０の不具合が前記方法の１つによって制御装置１２６によって検出された場合は、駆動装置１２４は、前記図１Ａの態様におけるように全システムを遮断せずに、単純且つ自動的にＰＷＭ出力モードからＶＶＩ／６段階（１２段階、又は１８段階など）出力モードに切り替える。これによって、交換用のフィルタを入手及び／又は取り付けしているか、修理がなされている間、装置の運転を続けることができる。
【００１８】
制御装置１１８によって選択的に操作されるスイッチ１２８によって、駆動装置１２６からバイパス濾波装置へと出力された電力の伝送が可能になり、これによって、濾波装置を交換し、そして駆動装置１２６を人の手によってＰＷＭモードに戻すことが、装置の運転を止めずに可能になる。スイッチ１２８の位相的位置及び／又は採用される濾波装置バイパス法は、濾波装置１２０の設計によって大きく変わってくることがある。
【００１９】
図１Ａと１Ｂとには示されていないが、ＥＳＰに動力を伝送するケーブルに接続されている電力駆動装置の出力部において、昇圧変圧器を使用することができる。本発明によって使用される濾波装置は、このような昇圧変圧器の駆動装置側又はＥＳＰ側のいずれにも接続することができるが、駆動装置側に接続するのが好ましい。
【００２０】
図２は、本発明の一態様による、掘削孔内のＥＳＰシステムに動力を供給するＰＷＭ又はデュアルモード駆動装置の運転を制御する方法の高水準フローチャートである。方法２００は、掘削孔内に送られるパルス幅変調三相電力が製造されるときにはいつも実行される。この方法は、掘削孔内に送られる前のパルス幅変調三相電力の濾波とこの濾波のモニタリング（段階２０１）によって開始される。
【００２１】
次いで、濾波装置もしくは濾波装置内の部品の故障を検出することによって、又は濾波された電力中に電圧のスパイクもしくは過電圧を検出することによって、不適切な電力の濾波が検出されたかどうかを決定する段階に進む（段階２０２）。不適切な濾波が検出されると、動力を製造する駆動装置の運転状態が変更される（段階２０３）。即ち、駆動装置が自動的に遮断されるか、ＰＷＭ出力モード以外の運転モードに切り替えられる。あるいは、他の方法としては、例えば、濾波装置からケーブルを外すことによっても、適切に濾波されていない電力が掘削孔内に送られるのを阻止することができる。（例えば、濾波装置の修理又は交換の後に人手によって）電力製造が開始されるか、又はパルス幅変調運転モードに復帰すると（段階２０４）、不適切に濾波された電力が掘削孔内に伝送されるのを阻止するチェック動作が再開される。
【００２２】
本発明は完全に電気で機能する電力システムについて記載されているが、当業者であれば、本発明によるこの機構を、少なくとも部分的に様々な態様の指示を含む、機械に使用することのできる媒体の形態に割り当てることができるのを理解するであろう。また、実際に割り当て分を実行するのに使用される信号含有媒体の型式に関わらず、本発明は等しく用いることができる。機械に使用することのできる媒体の例としては、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）又は消去可能電気的プログラム可能読取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）のような不揮発性で変更不可能に記録された型の媒体、フロッピーディスク、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）又はデジタル多目的ディスク（ＤＶＤ）のような記録可能な型の媒体、並びにデジタル及びアナログリンクなどの伝送型の媒体を挙げることができる。
【００２３】
本発明によると、ＥＳＰに動力を供給するために使用されるＰＷＭ又はデュアルモード駆動装置を、該駆動装置の出力部に設けた濾波装置の機能状態に基づいて、安全に遮断するか、運転モードを自動的に切り替える。濾波装置又は濾波装置内の部品が故障すると、駆動装置が自動的に遮断されるか、電力システム及び掘削孔中の装置に損害を与えるのを防ぐための濾波を必要としない運転モードに自動的に切り替えられる。
【００２４】
本発明の１以上の態様を詳細に記述してきたが、当業者であれば、本発明のその最も広い形態における範囲及び精神から離れることなく、様々な変更、置き換え及び修正を行うことができることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
図１Ａは、本発明の一態様による掘削孔内の製造システムに動力供給するために使用される電力システムを示している。
【図１Ｂ】
図１Ｂは、本発明の一態様による掘削孔内の製造システムに動力供給するために使用される電力システムを示している。
【図２】
図２は、本発明の一態様による、掘削孔内にあるＥＳＰシステムに動力を供給するＰＷＭ又はデュアルモード駆動装置の動作を制御する方法の高水準フローチャートである。

Claims

ケーブルによって掘削孔へと伝送されるパルス幅変調三相電力を選択的に製造することのできる電力源、
前記電力源によって製造された電力を、ケーブルへの伝送に先立って、濾波することのできる濾波装置、及び
前記濾波された電力をモニタすることができると共に、前記濾波装置による電力の不適切な濾波を検出して、前記掘削孔に電力を伝送することを不可能にするか、前記電力源の運転モードを変化させることのできる制御装置
を有することを特徴とする、掘削孔内での製造システムに使用される、電力システム又は掘削孔内の機器に損傷を与えることなく、三相電力を提供する電力システム。
前記電力源がパルス幅変調出力駆動装置をさらに有し、前記濾波装置による電力の不適切な濾波の検出に応答して、前記制御装置が該パルス幅変調出力駆動装置を遮断することを特徴とする請求項１に記載の電力システム。
前記電力源が、パルス幅変調出力モードと可変電圧インバータ出力モードとのいずれかで動作することが可能であって、運転中にこれら２つのモードのいずれかを選択的に切り替えることのできるデュアルモード駆動装置を有し、前記駆動装置がパルス幅変調出力モードで動作しているときに、前記濾波装置による電力の不適切な濾波が検出されると、それに応答して前記制御装置が駆動装置をパルス幅変調出力モードから可変電圧インバータ出力モードに切り替えるようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の電力システム。
前記濾波装置が、前記濾波装置又は濾波装置中の部品の故障を検出する１以上のセンサをさらに有し、前記制御装置が該各センサに連結されていることを特徴とする請求項１に記載の電力システム。
前記１以上のセンサが前記濾波装置内でショートしたコンデンサ、切れたヒューズ、又はその両方を検出することを特徴とする請求項４に記載の電力システム。
前記制御装置が、前記濾波装置の出力部に接続され、電圧スパイク及び過電圧を検出するために濾波された電力をモニタすることを特徴とする請求項１に記載の電力システム。
パルス幅変調三相電力を選択的に製造することのできる電気駆動装置、及び
前記駆動装置の出力部に接続された濾波装置の動作に関連するセンサの信号を受け取る、前記駆動装置用の制御装置
を有し、
前記駆動装置からの電力の伝送を停止するか、前記駆動装置の運転モードを変えることによって、前記制御装置が、前記駆動装置によって製造される電力の不適切な濾波に応答するように設定されていることを特徴とする掘削孔内での製造システムに使用される濾波装置切り替え駆動装置。
前記電気駆動装置がパルス幅変調出力駆動装置を有し、前記駆動装置によって製造される電力の不適切な濾波を検出すると、それに応えて前記制御装置が駆動装置を遮断するように設定されていることを特徴とする、請求項７に記載の濾波装置切り替え駆動装置。
前記電気駆動装置が、パルス幅変調出力モードと可変電圧インバータ出力モードとのいずれかで動作することが可能であって、運転中にこれら２つのモードのいずれかを選択的に切り替えることのできるデュアルモード駆動装置を有し、前記駆動装置がパルス幅変調出力モードで動作しているときに、前記濾波装置による電力の不適切な濾波が検出されると、それに応答して前記制御装置が駆動装置をパルス幅変調出力モードから可変電圧インバータ出力モードに切り替えるようになっていることを特徴とする、請求項７に記載の濾波装置切り替え駆動装置。
前記制御装置が、濾波装置内にあると共に濾波装置内でショートしたコンデンサや切れたヒューズを検出する１以上のセンサからの信号を受信して応答するように設定されていることを特徴とする請求項７に記載の濾波装置切り替え駆動装置。
掘削孔内に配置されたポンプ、
前記ポンプに物理的に接続されたモータ、
前記モータを電気的に地表面の所定位置に接続する三相電力ケーブル、
三相電力源、
前記三相電力源と前記ケーブルとの間に接続され、前記三相電力源からの電力を、前記ケーブルによって掘削孔に伝送されるパルス幅変調三相電力に変換する電気駆動装置、
前記電気駆動装置と前記ケーブルとの間に接続され、前記ケーブルによる伝送に先立って、前記電気駆動装置によって変換されたパルス幅三相電力の出力を濾波する濾波装置、及び
前記電気駆動装置と前記濾波装置との間に接続され、前記電気駆動装置によって変換された電力出力の前記濾波装置による濾波をモニタし、濾波装置による変換された電力の不適切な濾波が検出されると、それに応答して、前記電気駆動装置の運転状態を変化させる制御装置
を有することを特徴とする掘削孔内製造システム。
前記電力駆動装置がパルス幅変調出力駆動装置をさらに有し、前記濾波装置による電力の不適切な濾波の検出に応答して、前記制御装置が該パルス幅変調出力駆動装置を遮断することを特徴とする請求項１１に記載の掘削孔内製造システム。
前記電気駆動装置が、パルス幅変調出力モードと可変電圧インバータ出力モードとのいずれかで動作することが可能であって、運転中にこれら２つのモードのいずれかを選択的に切り替えることのできるデュアルモード駆動装置を有し、前記駆動装置がパルス幅変調出力モードで動作しているときに、前記濾波装置による電力の不適切な濾波が検出されると、それに応答して前記制御装置が駆動装置をパルス幅変調出力モードから可変電圧インバータ出力モードに切り替えるようになっていることを特徴とする、請求項１１に記載の掘削孔内製造システム。
前記濾波装置が、前記濾波装置又は濾波装置内の部品の故障を検出する１以上のセンサをさらに有し、前記制御装置が該各センサに連結されていることを特徴とする請求項１１に記載の掘削孔内製造システム。
前記１以上のセンサが前記濾波装置内でショートしたコンデンサ、又は切れたヒューズのいずれかを検出することを特徴とする請求項１４に記載の掘削孔内製造システム。
前記制御装置が、前記濾波装置の出力部に接続され、電圧スパイク及び過電圧を検出するために濾波された変換電力をモニタすることを特徴とする請求項１１に記載の採掘孔内製造システム。
掘削孔内に伝送する前に、電圧スパイク及び過電圧を除去するためにパルス幅変調三相電力を濾波し、
電力の前記濾波をモニタし、及び
前記電力の不適切な濾波を検出すると、それに応答して、三相電力の掘削孔への伝送を遮断するか、又は前記電力を製造する電力駆動装置の運転モードを切り替える
ことを特徴とする、掘削孔内にある製造機器を損傷から保護する方法。
前記掘削孔に伝送するパルス幅変調三相電圧を製造する段階が、電力を前記パルス幅変調三相電力に変換するパルス幅変調出力駆動装置を採用する段階を更に有し、前記濾波装置によって変換された電力の不適切な濾波が検出されると、それに応えて、前記制御装置が該駆動装置を遮断することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
前記掘削孔に伝送するパルス幅変調三相電圧を製造する段階が、電力をパルス幅変調三相電力に変換するために、デュアルモード駆動装置を採用する段階を更に有し、該デュアルモードはパルス幅変調出力モードと可変電圧インバータ出力モードとのいずれかで動作することが可能であって、運転中にこれら２つのモードのいずれかを選択的に切り替えることができると共に、前記駆動装置がパルス幅変調出力モードで動作しているときに、前記濾波装置による変換された電力の不適切な濾波が検出されると、それに応答して前記制御装置が駆動装置をパルス幅変調出力モードから可変電圧インバータ出力モードに切り替えるようになっていることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
前記電力の濾波をモニタする段階が、前記電力を濾波する濾波装置内でショートしたコンデンサ、又は切れたヒューズのいずれかを検出することを特徴とする請求項１７に記載の方法。